Lämpövarasto osana laivan hukkalämmön talteenottosysteemiä

The world is striving to achieve significant carbon dioxide emission reductions within the near future, and the maritime industry is no exception. The International Maritime Organization has set clear emission reduction targets, while ship owners endeavour financial profit. Energy efficiency has become the golden mean, satisfying both parties. The internal combustion engines are the largest thermal processes regarding energy and thus naturally come with the greatest heat losses. Recovering and finding use for this heat improves the energy efficiency. The heat recovery is done by absorbing engine heat into a hot water flow, often referred to as the waste heat recovery circuit, and by connecting heat consumers to this circuit. In some cases, excess heat is available and additional energy efficiency improving thermal processes, such as an organic Rankine cycle, may be connected to the circuit. The opposite case occurs when there is not sufficient heat available. The flow must, therefore, be boosted using steam, which increases the fuel consumption. In some cases, the heat generation varies from being abundant to being insufficient depending on the vessel speed. In this case, a heat storage would allow storing heat for later use, thus reducing the amount of steam boosting required. Dimensioning possible additional heat consuming applications and heat storages is a complicated process. This thesis introduces a dynamic simulation tool created, which allows an accurate thermodynamic analysis of the waste heat recovery circuit. It eases the planning and dimensioning task of these energy efficiency improving equipment. The simulation tool was used to make a case study on a large cruise ship. An organic Rankine cycle with a 150kW electrical capacity showed enormous potential on the case vessel. The annual operating expenses were reduced by 76800€ and the emissions by 1.83%. Improved results were obtained by increasing the organic Rankine cycle capacity, at the cost of a lower utilization degree. A heat storage showed no potential on the case vessel. By increasing the heat consumption, a situation was created where a heat storage showed potential. The data manipulation was done to test the simulation tool. Water-based heat storages showed large potential, due to their low cost compared to their relatively high benefit. A 25m3 water heat storage resulted in the annual operating expenses reduced by 6000€ and 0.14% fewer emissions. Heat storages based on a thermodynamic phase change showed improved results, at the cost of a much higher investment cost. A 25m3 phase change heat storage led to the annual operating expenses being reduced by 9500€ and 0.22% fewer emissions. A 50m3 water-based heat storage would be required to obtain similar savings. In other words, the phase change heat storage occupies a much smaller space. Still, they were considered infeasible due to their high investment cost and technical complexity.Maailmalla pyritään lähitulevaisuudessa merkittäviin hiilidioksidipäästöjen vähennyksiin, eikä meriteollisuus ole poikkeus. Kansainvälinen merenkulkujärjestö on asettanut selkeät päästövähennystavoitteet, laivan omistajat puolestaan pyrkivät taloudelliseen voittoon. Energiatehokkuudesta on tullut kultainen keskitie, joka tyydyttää molemmat osapuolet. Polttomoottorit ovat laivan suurimmat lämpövoimaprosessit energian suhteen ja täten luonnollisesti myös suurimmat hukkalämmön lähteet. Hukkalämmön talteenotto ja hyödyntäminen parantavat energiatehokkuutta. Talteenotto voidaan toteuttaa siirtämällä moottorin tuottama lämpö vesivirtaukseen, niin sanottuun lämmön talteenottopiiriin, ja kytkemällä lämmönkuluttajia kyseiseen piiriin. Joissain tapauksissa on käytettävissä ylimääräistä lämpöä, jolloin energiatehokkuutta parantavia lämpövoimaprosesseja, kuten orgaaninen Rankine-kierto, voidaan kytkeä piiriin. Päinvastaisessa tilanteessa lämpöä ei ole tarpeeksi. Piirin virtausta on tällöin lämmitettävä vesihöyryllä, joka nostaa polttoaineenkulutusta. Laivan nopeus vaikuttaa lämmön tuotannon määrään ja täten riittävyyteen. Tällöin ylimääräisen lämmön varastointi myöhempää käyttö varten pienentäisi vesihöyrylämmityksen tarvetta. Mahdollisten energiatehokkuutta parantavien lämpövoimaprosessien ja lämpövarastojen mitoitus on monimutkainen tehtävä. Tämä diplomityö esittelee sitä varten laaditun dynaamisen simulointityökalun, joka mahdollistaa lämmön talteenottopiirin tarkan termodynaamisen tarkastelun. Se helpottaa energiatehokkuutta parantavien laitteiden suunnittelua ja mitoitusta. Simulointityökalua sovellettiin suurehkon esimerkkiristeilijän tarkasteluun. Orgaanisella Rankine-kierrolla, jolla on 150kW sähköntuotantokapasiteetti näyttää olevan suuri potentiaali risteilijässä. Vuosittaiset toimintakustannukset vähenivät 76 800€:lla ja päästöt 1.83%:lla. Suuremmat hyödyt saavutettiin kasvattamalla orgaanisen Rankine-kierron kapasiteettia, jolloin sen käyttöaste laski. Lämpövarasto ei soveltunut kyseiseen laivaan. Lisäämällä esimerkkilaivan lämmönkulutusta, onnistuttiin luomaan tapaus, jossa lämpövarasto saattaa olla potentiaalinen vaihtoehto. Muokkaus tehtiin simulointityökalun testaamista varten. Vesitankkiin pohjautuvien lämpövarastojen kustannukset olivat matalimmat ja suhteellinen hyöty suurin. Tilavuudeltaan 25m3:n vesilämpövarasto vähensi vuotuisia toimintakustannuksia 6000€:lla ja päästöjä 0.14%:lla. Termodynaamiseen faasimuutokseen perustuvat lämpövarastot tuottivat paremmat tulokset verrattuna vesilämpövarastoon, mutta niillä oli myös huomattavasti suuremmat investointikustannukset. Tilavuudeltaan 25m3:n faasimuutoslämpövarasto vähensi vuotuisia toimintakustannuksia 9500€:lla ja päästöjä 0.22%:lla. Vastaavat tulokset olisivat vaatineet 50m3:n vesilämpövaraston. Faasimuutoslämpövarasto vie siis pienemmän tilavuuden, mutta se ei kuitenkaan osoittautunut toteutuskelpoiseksi korkeiden kustannusten ja teknisen monimutkaisuutensa takia